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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Chopper Transistor invers betreiben


Autor: Tinky Winky (Gast)
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Ich habe in einem alten Buch mal eine Schaltung gefunden für einen 
Chopper-Verstärker: Eine sehr kleine DC-Spannung wird mit einem invers 
betriebenen Transistor, der als Schalter betrieben wird, zerhackt. Der 
AC-Anteil der Spannung am Transistor wird in einem AC-Verstärker hoch 
verstärkt und anschließend von einem Synchrongleichrichter wieder 
gleichgerichtet und kann jetzt von einem Meßgerät angezeigt werden.

Bei dem invers betriebenen NPN Transistor sind Emitter und Collector 
vertauscht. Dardurch soll die Sättigungsspannung bei durchgeschaltetem 
Transistor besonder niedrig sein. Leider liegt mir das Buch nicht mehr 
vor, ist 30 Jahre her...

Die Schaltung vertehe ich prinzipiel, nur das ein invers betriebener 
Transistor eine besonders niedrige Sättigungsspannung haben soll, ist 
mir nicht ganz klar. Wird bei einem Transistor Emitter und Collector 
vertauscht, sollte der Transistor eigentlich ganz normal weiter 
funktionieren. Nur ist jetzt die Verstärkung weitaus geringer und die 
maximale Spannung ist auf ca. 6V begrenzt, weil die jetzt als 
Basis-Collector-Diode geschaltetet Basis-Emitter-Diode nur eine 
Durchbruchsspannung von um die 6V hat.

Kann jemand etwas dazu beisteuern?

Autor: yalu (Gast)
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@Tinky Winky:

Ich hab's mal simuliert. Den Kondensator, den Verstärker und den
Basiswiderstand habe ich weggelassen und dafür die Basis an eine
Stromquelle geschaltet.

Der Transistor ist ein BC847C, der Kollektor- bzw. Emitterwiderstand
5kΩ, die Eingangsspannung (in deinem Bild mit DC gekennzeichnet) 100mV
und der Basisstrom im 0..1mA bzw. 1..10mA. Die rote Linie zeigt Uce im
Normal-, die blaue Uec im Inversbetrieb.

Damit man die kleinen Spannungen besser ablesen kann, habe ich noch ein
logarithmisches Diagramm mit erweitertem Basisstrombereich angehängt. Am
rechten Ende dieses Diagramms liegt zwischen den beiden Spannungswerten
immerhin schon ein Faktor von 60.

Die Sättigungsspannung im Inversbetrieb ist also tatsächlich deutlich
kleiner.

Heute hat allerdings ein guter Operationsverstärker schon ohne Chop und
Autozero eine Offsetspannung, die deutlich unterhalb der Emitter-
Kollektor-Sättigungsspannung des Transistors liegt, so dass man kaum
noch auf solche Tricks zurückgreifen wird.

Autor: Tinky Winky (Gast)
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@Yalu:

Recht vielen Dank für deinen wirklich kompetenten Beitrag.
Bin selber garnicht auf die Idee gekommen, das zu simulieren.
Habe gedacht, das das eventuel nur bei Ur-alt-Transistoren so ist, das 
die Sättigungsspannung im Inversbetrieb kleiner ist. Habe nicht 
geglaubt, das das simulierbar ist.

Kannst du eventuel die ASC-Datei deiner Simulation posten?
Mit welchem Programm simulierst du?
LTSpice?

Autor: yalu (Gast)
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Erst noch eine Korrektur der an meinen letzten Beitrag angehängten Simu-
lationsdiagramme: Der dort verwendete Transistor war nicht der BC847C,
sondern der Defaulttransistor von Spice, der deutlich andere Parameter
hat. Es gab ein Problem beim Einlesen des Transistormodells, und ich
hatte die Fehlermeldung nicht beachtet :-/

Im Anhang sind die Diagramme mit dem "richtigen" BC847C. Das Transistor-
modell ist von NXP:

  http://www.nxp.com/models/spicespar/data/BC847C.html

> Mit welchem Programm simulierst du?
> LTSpice?

Nein, ngspice.

> Kannst du eventuel die ASC-Datei deiner Simulation posten?

Nein, aber die Eingabedatei für ngspice im Spice-3-Format:
Sättigungsspannungstest
.include bc847c.mod

* Eingangsspannung
vin vin 0 100mV

* Erster Transistor im Normalbetrieb
q1 uce1 b1 0 qbc847c
rc1 vin uce1 5kΩ

* Zweiter Transistor im Inversbetrieb
q2 0 b2 uec2 qbc847c
re2 vin uec2 5kΩ

* Basisstromquellen, die erste wird variiert, die zweite folgt der ersten
vd 0 vd 0V
ib1 vd b1 0
fb2 0 b2 vd 1S

.control
* lineares Diagramm von 0 bis 1mA
dc ib1 0 1mA 0.1uA
plot uce1 uec2 vs i(vd) xlabel 'IB'

* logarithmisches Diagramm von 1uA bis 10mA
dc ib1 1uA 10mA 1uA
plot uce1 uec2 vs i(vd) xlabel 'IB' loglog
.endc
.end

Ich weiß nicht, ob das ASC-Format von LTSpice dazu abwärtskompatibel
ist. Aber irgendwie wird es sicher möglich sein, diese Datei einzulesen,
da LTSpice ja auf Spice 3 aufbaut. Ein gezeichneter Schaltplan ist in
der Datei nicht enthalten, dafür aber ein paar Kommentare ;-)

Bei Gelegenheit werde ich auch mal LTSpice installieren.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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yalu schrieb:
> Erst noch eine Korrektur der an meinen letzten Beitrag angehängten Simu-
> lationsdiagramme: Der dort verwendete Transistor war nicht der BC847C,
> sondern der Defaulttransistor von Spice, der deutlich andere Parameter
> hat. Es gab ein Problem beim Einlesen des Transistormodells, und ich
> hatte die Fehlermeldung nicht beachtet :-/
>
> Im Anhang sind die Diagramme mit dem "richtigen" BC847C. Das Transistor-
> modell ist von NXP:
>
>   http://www.nxp.com/models/spicespar/data/BC847C.html
>
>> Mit welchem Programm simulierst du?
>> LTSpice?
>
> Nein, ngspice.
>
>> Kannst du eventuel die ASC-Datei deiner Simulation posten?
>
> Nein, aber die Eingabedatei für ngspice im Spice-3-Format:
>
>
> Sättigungsspannungstest
> .include bc847c.mod
> 
> * Eingangsspannung
> vin vin 0 100mV
> 
> * Erster Transistor im Normalbetrieb
> q1 uce1 b1 0 qbc847c
> rc1 vin uce1 5kΩ
> 
> * Zweiter Transistor im Inversbetrieb
> q2 0 b2 uec2 qbc847c
> re2 vin uec2 5kΩ
> 
> * Basisstromquellen, die erste wird variiert, die zweite folgt der
> ersten
> vd 0 vd 0V
> ib1 vd b1 0
> fb2 0 b2 vd 1S
> 
> .control
> * lineares Diagramm von 0 bis 1mA
> dc ib1 0 1mA 0.1uA
> plot uce1 uec2 vs i(vd) xlabel 'IB'
> 
> * logarithmisches Diagramm von 1uA bis 10mA
> dc ib1 1uA 10mA 1uA
> plot uce1 uec2 vs i(vd) xlabel 'IB' loglog
> .endc
> .end
> 
>
> Ich weiß nicht, ob das ASC-Format von LTSpice dazu abwärtskompatibel
> ist. Aber irgendwie wird es sicher möglich sein, diese Datei einzulesen,
> da LTSpice ja auf Spice 3 aufbaut. Ein gezeichneter Schaltplan ist in
> der Datei nicht enthalten, dafür aber ein paar Kommentare ;-)
>
> Bei Gelegenheit werde ich auch mal LTSpice installieren.

View -> SPICE Netlist
So sieht die Netzliste für LTspice aus.
Die könnte man als name.cir speichern und dann direkt mit LTspice 
ausführen.

* Inversbetrieb
Q1 ce1 b1 0 0 QBC847C
Q2 0 b2 ec2 0 QBC847C
Rc1 N001 ce1 5k
Re2 N001 ec2 5k
Ib1 N002 b1 1µ
V1 N001 0 100m
Vd 0 N002 0
Fb2 0 b2 Vd 1
.dc dec Ib1 1u 10m 100
.include BC847C.mod
.end

Ein Schaltplan ist natürlich übersichtlicher.
Siehe Anhang ".asc".
In der .plt Datei befinden sich die Ploteinstellungen.



Inhalt von BC847C.mod

.MODEL QBC847C NPN
+     IS = 2.375E-14
+     NF = 0.9925
+     ISE = 5.16E-16
+     NE = 1.3
+     BF = 524.9
+     IKF = 0.09
+     VAF = 49.77
+     NR = 0.9931
+     ISC = 7.064E-12
+     NC = 1.78
+     BR = 10.04
+     IKR = 0.132
+     VAR = 16
+     RB = 10
+     IRB = 5E-06
+     RBM = 5
+     RE = 0.653
+     RC = 0.78
+     XTB = 0
+     EG = 1.11
+     XTI = 3
+     CJE = 1.132E-11
+     VJE = 0.7685
+     MJE = 0.3733
+     TF = 4.258E-10
+     XTF = 6.319
+     VTF = 6.4
+     ITF = 0.1845
+     PTF = 0
+     CJC = 3.379E-12
+     VJC = 0.5444
+     MJC = 0.3968
+     XCJC = 0.6193
+     TR = 9.5E-08
+     CJS = 0
+     VJS = 0.75
+     MJS = 0.333
+     FC = 0.999
.ENDS

Autor: yalu (Gast)
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Helmut S. schrieb:

> Ein Schaltplan ist natürlich übersichtlicher.

In der Tat. Vielen Dank für die Unterstützung!

Autor: Tom (Gast)
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hm, wozu dient eigentlich der Kondensator in dieser Schaltung?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Tom,

>hm, wozu dient eigentlich der Kondensator in dieser Schaltung?

Die Idee des Choppens ist es ja, eine Gleichspannung in eine 
Wechselspannung zu verwandeln, um auf diese Weise den Einfluß von 
Offsetspannungen der nachfolgenden Elektronik in Schach zu halten.

Mit dem Kondensator eliminierst du den DC Anteil, der durch das Choppen 
selbst entsteht und verwandelst das Eingangssignal in ein reines 
Wechselspannungssignal. Die nachfolgende Elektronik braucht dann nur 
noch ein Wechselspannungssignal zu verstärken ohne die eigene (eventuell 
hohe!) Offsetspannung mit zu verstärken!

Kai Klaas

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Tinky Winky,

>Kann jemand etwas dazu beisteuern?

Ich bringe hier mal eine konkrete Schaltung mit einem invers betriebenen 
NPN-Transistor. Es handelt sich um einen Sinus-Burst-Generator aus den 
80igern. Der invers geschaltete Transistor wird verwendet, um in einem 
invertierenden Verstärker den Gegenkopplungswiderstand periodisch kurz 
zu schließen. Am Eingang der Schaltung wird ein Sinus mit einer 
Amplitude von 2V eingekoppelt, stammend aus einem XR2206.

Wie eine Simulation mit TINA zeigt, bricht das Ausgangssignal auf rund 
3mV zusammen. Dies entspricht einem Widerstand der 
Kollektor-Emitter-Strecke von rund 15 Ohm. Nicht schlecht im Vergleich 
zu einem CD4066, der rund 120 Ohm hat, oder?

Jetzt kommt das Merkwürdige: Wenn ich den BC547 nicht invers schalte, 
ändert sich an dem Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke gar nichts, 
es entsteht lediglich zusätzlich ein unerwünschter Offset von rund -6mV!

Vielleicht mag das ja jemand mal mit LTspice gegenrechnen?

Kai Klaas

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